CN106357007A - 多模无线电力发送器及其操作方法 - Google Patents

多模无线电力发送器及其操作方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种多模无线电力发送器及其操作方法。多模无线电力发送器包括：第一传输线圈，跨越第一区域并且被配置为操作在第一频率；第二传输线圈，跨越第二区域，其中该第二区域位于该第一区域内并且小于该第一区域，其中该第二传输线圈被配置为操作在第二频率，该第一频率是该第二频率的至少20倍；以及平台，该平台具有指定充电区，通过该平台放置无线接收设备，其中该平台定位为垂直于该第一传输线圈和该第二传输线圈。本发明提供的无线电力发送器可以根据两种或更多种无线充电标准能够有效地向多种类型的无线接收设备发送电力。

Description

多模无线电力发送器及其操作方法
技术领域
本申请总体上涉及能够根据两个或更多个无线电力标准传送电力的电力发送器(power transmitter)及其操作方法。
背景技术
无线电力传送系统(Wireless Power Transfer Systems，WPTS)作为不使用导线和连接器来传送电力的便利方式，正变得越来越流行。目前行业上发展中的WPTS可以分为两个主要类别：磁感应(magnetic induction，MI)系统和磁共振(magnetic resonance，MR)系统。这两种类型的系统均包括发送单元和接收单元，发送单元有时称为电力发送单元(power transmitting unit，PTU)，接收单元有时称为电力接收单元(power receiving unit，PRU)。通常，PTU用于对移动设备(例如，智能电话、便携式音乐播放器、平板电脑、笔记本电脑等)以及其他设备和应用进行无线充电。这些移动设备可以包括PRU。
感应类型的WPTS通常操作在分配的大约一百KHz至几百KHz的频率范围中，使用频率变化作为功率流(power flow)控制机制。MI WPTS操作在短距离(通常仅限于电力传输线圈的直径)内。在MI WPTS中，磁场从电力传输线圈开始呈指数衰减，并且不从线圈向外辐射。
共振WPTS通常操作在单个共振频率，使用调谐的接收天线网络和输入电压调节来调节输出功率。在通常的应用中，MR WPTS操作在6.78MHz频率处。在较高的频率上，可以从电力传输线圈辐射电磁能。由于使用了调谐的接收天线网络，可以在大于电力传输线圈的直径的距离上传输可观的电能。
随着WPTS被引入到商业产品中，逐渐形成了使用MR系统和MI系统进行电力传送的不同技术。好几个行业委员会，例如无线充电联盟(Wireless PowerConsortium，WPC)、最近出现的电力事业联盟(Power Matters Alliance，PMA)和无线电力联盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)以及A4WP/PMA，一直致力于基于无线电力传送开发用于消费者产品的国际标准。这些标准可以包括，例如，经由设备的接收线圈和功率整流电路在PRU处生成的整流电流、电压和/或功率的总量的规范。即使标准正在发展中，可以仍继续在不同的商业产品中实现MI和MR无线电力系统(操作在完全不同的频率)。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多模无线电力发送器及其操作方法以有效地解决上述问题。
依据本发明的一方面，提供了一种多模无线电力发送器，包括：第一传输线圈，跨越第一区域并且被配置为操作在第一频率；第二传输线圈，跨越第二区域，其中该第二区域位于该第一区域内并且小于该第一区域，其中该第二传输线圈被配置为操作在第二频率，该第一频率是该第二频率的至少20倍；以及平台，该平台具有指定充电区，通过该平台放置无线接收设备，其中该平台定位为垂直于该第一传输线圈和该第二传输线圈。
依据本发明的一方面，提供了一种操作多模无线电力发送器的方法，该方法包括：施加第一频率的第一驱动信号至第一传输线圈，该第一传输线圈跨越第一区域并且与具有指定充电区的平台垂直间隔开；以及施加第二频率的第二驱动信号至第二传输线圈，该第二传输线圈跨越第二区域，其中该第二区域位于该第一区域内并且小于该第一区域，该第一频率是该第二频率的至少20倍。
本发明提供的无线电力发送器可以根据两种或更多种无线充电标准能够有效地向多种类型的无线接收设备发送电力。
在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。
附图说明
图1描述了根据一些实施方式的双模无线电力发送器的示例。
图2根据一些实施方式例示了双模无线电力发送器的一些组件。
图3根据一些实施方式示出了双模无线电力发送器的线圈布置。
图4A至图4C示出了电力传输线圈的多个布置。
图4D示例了包括两个MI线圈的双模无线电力发送器的线圈布置。
图5A和图5B示出了磁性衬背材料配置的附加示例。
图6A描述了由于偏差导致的MVTR变化。
图6B例示了双传输线圈和接收线圈之间的耦合系数的变化。
图7例示了对于不同的线圈配置在接收线圈有偏移时耦合变化值Vc的三维图。
具体实施方式
如上所述的，能够进行无线电力传送的电子设备可以继续使用MR和MI无线电力传送方法中的一种或两种皆使用。因为这两种系统明显不同，配置为MR系统的无线电力发送器将不会以任何适当的效率向MI接收设备提供电力。同样，配置为MI系统的发送器将不会以任何适当的效率向MR接收设备提供电力。发明人已经认识并理解到，希望具有能够向MR和MI设备两者皆有效地发送电力的双模无线电力发送器。此外，发明人已经认识并理解到，这种发送器应当紧凑(例如，只有单个充电区而不是针对每种标准有单独的充电区)，并且无论为何种接收系统(MR或MI)这种发送器应提供相似的性能。例如，希望以双模发送器对移动设备充电的用户，当将MI接收设备或MR接收设备放置在发送器的指定充电区时，用户应当体验到相同的充电性能。此外，发明人已经认识并理解到，同样重要的是，当接收设备(MR或MI)在电力发送器的充电区内未对准时，两个系统能相似地运行。
发明人已经认识到，针对单个充电区提供相同的体验具有一些挑战。例如，单个充电区可能包含位置非常靠近的传输线圈。当非常靠近时，这将导致线圈与线圈的相互作用(例如一个线圈对另一个的互感负载)，这种效应将降低一个或两个电力传输线圈的性能。此外，用于一个线圈磁性衬背(magnetic backing)反过来可能会影响到另一个线圈的性能。针对这些挑战，发明人已经构思和研究出针对MR和MI系统的单个充电区能够提供相似的无线电力传输性能的不同线圈配置。
参照图1，图1描述了双模无线电力发送器100的示例。无线电力发送器100可以是放置在任何便利的位置(例如，在桌面、桌子、工作台面、床头柜上，汽车中，等等)的低矮电子设备，其可以包括壳体105，壳体105封装有电子组件，诸如两个或两个以上的电力传输线圈和至少一个电源转换器(powerconverter)。无线电力发送器100可以包括具有指定的充电区102(如，垫或标记区域)的平台，被标识为用于对无线电力接收设备110充电，通过该平台可以放置无线电力接收设备110，其中该平台定位为垂直于无线电力发送器100中包含的第一传输线圈和第二传输线圈。例如，放置在指定的充电区102中央的无线电力接收设备110比放置在充电区一侧时，能够以更高的效率充电。
无线电力接收设备110可以包括至少一个接收线圈，并且配置为被无线地供电或充电。根据一些实施方式，无线电力接收设备110可以提供反馈信号至无线电力发送器100，以表明在接收设备中需要更多还是更少的电力。在一些实施方式，无线电力接收设备110可以包括具有固定负载的线圈，其用于校准或评估电力发送器和无线电力接收线圈之间的耦合效率。固定负载可以是大约5欧姆至大约100000欧姆之间的任何值。
当双模无线电力发送器100被激活时，电力可以从电力发送器的传输线圈无线地传送至无线电力接收设备110的接收线圈。根据一些实施方式，无线电力发送器100可以包括用户控件，例如开/关按钮101、触摸板、触摸屏或其他人工操作控件，以控制无线电力发送器100的操作。
双模无线电力发送器100的更多细节在图2中描述。根据一些实施方式，无线电力发送器100可以包括电路板205，电路板205包括无线电力发送器100的一个或多个电子组件，例如至少一个电源转换器220、处理器240或其他控制电路、第一传输线圈230(下文中也称为MR线圈、第一线圈、第一电力传输线圈)和第二传输线圈232(下文中也称为MI线圈、第二线圈、第二电力传输线圈)。电源转换器220可以转换来自电源的电能，以产生应用于传输线圈230和232中一者或两者的振荡电流。在一些实施方式，电源可以是外部源(例如，传统的住宅或商业交流(AC)线源(line source)，诸如但不限于，60Hz、100-127V的AC)。线源的其他例子包括：60Hz、220-240V的AC，50Hz、100-127V的AC，50Hz、220-240V的AC。在一些实现方式中，电源可以是来自车辆的直流(DC)电源(例如汽车、铁路或飞机的电气系统电源)。电源转换器可以通过插入传统住宅或商业AC电源插座(outlet)或者车辆的DC电源插座的电源插口(jack)210和/或延长电线接收电力。在一些实现方式，电力发送器可以包括电池(未显示)，电池可以连接到电源转换器220和/或处理器240以提供不间断供电。在一些实施方式，电源转换器220可以包括开关模式电源和滤波电路，开关模式电源和滤波电路被配置为将来自电源的电力转换为应用至电力传输线圈230、232的振荡电流。振荡电流可以在符合无线电力传输标准的固定频率上振荡，或者在符合其他无线电力传输标准的频率范围内变化。例如，振荡电流可以在大约6.78MHz处振荡，但是在一些情况下可以使用其他频率。在一些实施方式，电源转换器220可以包括逆变器和一个或多个阻抗匹配网络，以促进电源转换器220和电力传输线圈230、232之间的电力传送。在一些实现方式中，电力发送器100可以包括单个电源转换器220，该单个电源转换器220可以被动态地配置为驱动电力传输线圈230、232中的任一个。在某些情况下，电力发送器100可以包括两个电源转换器，每个电源转换器被配置为驱动其各自的电力传输线圈。在一些实施方式中，例如如图2所示，共同的电连接239连接第一传输线圈230、第二传输线圈232和电源转换器220。
电力传输线圈230、232可以包括具有中心轴(表示为“x”)的导电线圈和开口区域235、237(也称为第一区域235、第二区域237)。每个开口区域可以具有小直径A1和大直径B1(图2中只显示了第一线圈230的情况)。在一些实现方式，小直径和大直径可以相等。每个线圈可以包括一个或多个导电匝数，并可以连接到电源转换器220。电力传输线圈可以具有合适的形状(例如，正方形、矩形、多边形、圆形、椭圆形，等等)。电力传输线圈230、232可以由一个或多个缠绕的导线形成，或者可以被图案化成印刷电路板的一个或多个层上的一个或多个导电电流回路。施加至传输线圈的振荡电流在传输线圈线圈230、232附近产生振荡磁场，该振荡磁场通过无线电力发送器的壳体105延伸到指定充电区102。
根据一些实施方式，双模无线电力发送器100包括被配置为用于MR无线电力传送的至少一个第一驱动电路和电力传输线圈230。第一驱动电路施加第一频率的第一驱动信号至第一传输线圈230。双模无线电力发送器100可以进一步包括被配置为用于MI无线电力传送的第二驱动电路和电力传输线圈232。第二驱动电路施加第二频率的第二驱动信号至第二传输线圈232。MI线圈可以小于MR线圈，并且可以位于MR线圈的开口区域235内以减少充电区102的大小。当MI线圈位于“MR线圈的开口区域内”时，它可以位于MR线圈的上方或下方，无需在与MR线圈相同的平面。在一些实现方式，MR线圈的开口区域235可以比MI线圈的开口区域237大2至6倍。例如，MR线圈的尺寸可以为大约5.5英寸乘以3英寸，MI线圈的尺寸可以为大约2英寸乘以2英寸，也可以使用其它尺寸。
根据一些实施方式，双模无线电力发送器100可以进一步包括处理器240和信号收发器250。处理器100可以例如包括微控制器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、模拟电路、逻辑电路或者这些的组合。处理器240与至少一个存储设备(没有显示)通信，存储设备可以存储机器可读指令，当指令由处理器执行时能够调整无线电力发送器100以执行与电力传送相关的操作。存储设备可以包括RAM、ROM、闪存存储器、缓存存储器或者其他合适的存储器。处理器240也可以与一个或多个电源转换器220通信。例如，处理器240可以通过能传送电力和数据的一个或多个电连接而连接到每个电源转换器。处理器240通过协调发送数据至每个电源转换器220和收发器250以及处理来自每个电源转换器220和收发器250的数据这些操作，可以管理对无线电力发送器100的控制。
在一些实施方式，收发器250可以包括射频(radio-frequency,RF)收发器，用于向外部设备(例如，被充电的设备110)发送数据信号和从外部设备接收数据信号。收发器250可以被配置为例如Wi-Fi或蓝牙通信，但是收发器250并不仅限于这些通信协议。在一些实现方式，收发器250可以被配置为有线通信(例如，通过通用串行总线)。在一些实现方式，收发器250可以包括单独的发送芯片或电路和接收芯片或电路。在一些实施方式，收发器250可以使用用于无线电力传送的同一磁耦合链路，以向无线电力接收设备110发送数据和接收来自无线电力接收设备110的数据。这种通信过程可以包括，但不限于，“带内通信”、“负载调制”或“反向散射调制”。
图3和图4A至图4D示出了双模无线电力发送器的线圈配置的更多细节。根据一些实施方式，第一线圈230可以形成在第一基底310上(例如，在印刷电路板上图案化的导电迹线)。第一线圈230可以配置为用于磁谐振电力传送。在一些实施方式，磁性衬背材料(magnetic backing material)(下文也可称为磁屏蔽)320可以邻近第一线圈230，并可以位于基底(如图所示)对面或者在第一线圈的基底同侧。任何合适的磁性渗透材料(magnetic permeable material)可用于磁性衬背(backing)。磁性衬背材料的例子包括但不限于各种铁氧体，例如镍-铁及其合金、钴-铁及其合金、硅-铁及其合金。在一些情况下，磁屏蔽可以包括一个或多个聚合物，以将一个或多个上述铁氧体的合成物结合。例如，铁氧体粒子可以结合在聚合物中并且被铸成薄膜或片形磁性衬背材料。根据一些实施方式，针对第一线圈230，磁性衬背材料320的相对磁导率可以在大约60至大约200之间。磁导率的值在此范围内的磁性衬背材料的例子包括，但不限于，马氏体(martensitic)不锈钢、镍、碳钢、铁氧体。也可以使用包含这些材料的聚合物复合材料。
虽然使用了术语“衬背”，磁性材料的功能包括引导电力传输线圈附近的磁场线来提高电力传送效率。例如，磁性材料可以凝聚和引导电力传输线圈底部附近的磁场线，并阻止磁场线延伸到位于线圈下面或双模无线电力发送器100下面的损耗材料。
再次参照图3，第二线圈232可以与第一线圈230间隔垂直距离Z1。第二线圈232可以配置为用于MI电力传送，并形成在第二基底310上。第一和第二基底310可以非磁性的(如，印刷电路板)。在一些实施方式，可以存在邻近第二线圈232的第二磁性衬背材料330。根据一些实施方式，用于第二线圈232的第二磁性衬背材料330的相对磁导率可以为大约400至大约500000之间。在一些实现方式中，第二磁性衬背材料330的相对磁导率可以比第一磁性衬背材料320的相对磁导率大2到8倍。具有高磁导率值的材料的例子包括，但不限于，铁氧体、铁氧体不锈钢、钼金属(mu metal)、铁和金属化玻璃。
第一磁性衬背材料320和第二磁性衬背材料330两者均具有大约跨越相应线圈的小直径的小直径和大约跨越相应线圈的大直径的大直径。根据一些实施方式，磁性衬背材料不会延伸得超越相应线圈的小直径或大直径的10％。
根据一些实施方式，第一传输线圈230和第二传输线圈232可以在同一轴上中心对齐，由图3的垂直虚线所示。在一些实现方式中，线圈可以有偏移，而不是在同一轴上中心对齐。在任一线圈中可以有任意数量的绕组(winding)，两个线圈的绕组可以不重叠。如果两个线圈重叠，较小的MI线圈的至少90％开口区域237可以包含在更大的MR线圈的开口区域235内。第一线圈230和第二线圈232可以放置在双模无线电力发送器的壳体105中，直接在指定充电区102下方。第二线圈可以与指定的充电区间隔距离Z2。
当激活时，第一线圈230可以以第一频率驱动，第一频率比驱动第二线圈232的第二频率高20至90倍。第一线圈230可以具有相关的场区域或电力传送区301，在该区域中可用的电磁能量从线圈中延伸出来。第二线圈232可以具有比第一线圈230的相关场区域301小的第二相关场区域或电力传送区302。待充电的设备110可以放置在指定的充电区102并且包括放置于设备110内部的接收线圈130。设备110可以配置为根据MR或MI无线电力传送来无线地接收电力。在许多情况下，用户可以将设备110放置在指定的充电区102，使得其接收线圈130与电力传输线圈的中心轴偏移距离D。
在图4A至图4D示出了双模无线电力发送器100的线圈配置的附加实施方式。根据一些实施方式，第一线圈230可以形成在基底310上，其磁性衬背材料320可以形成在基底310上第一线圈230的对面。在一些实施方式，第二线圈232可以形成同一基底310上方并且与同一基底310连接(例如，通过胶合或其他方式接合)。可以包含也可以不包含第二线圈232的第二磁性衬背材料330。
在一些实施方式中，第二线圈232可以如图3和图4A所示位于第一线圈230上方，或者可以位于第一线圈230下方距离Z1处。但是，发明人已经认识到，最好将MI线圈232放置为比第一线圈230更接近指定的充电区102，由于其电力传送区302通常比MR线圈230的电力传送区301范围更小。
图4B描述了第一线圈230和第二线圈232形成于同一基底310上时的另一线圈配置。在一些实施方式中，基底310可以包括印刷电路板，第一线圈230和第二线圈232可以由印刷电路板上图案化的迹线形成。在一些实施方式，两个线圈下面可以只有第一磁屏蔽320。在其他实施方式，具有不同相对磁导率的第一磁屏蔽320和第二磁屏蔽330可以位于每个线圈下面。例如，第一磁屏蔽320可以是环形形状，第二磁屏蔽330可以位于第一磁屏蔽320的中心区。
图4C示出了双模无线电力发送器的另一线圈配置。在这个配置中，第一线圈230和第二线圈232形成在基底310上。单个磁屏蔽330位于第二线圈232下面，不包括第一磁屏蔽320。
对于图3和图4A至图4C所示任何配置，线圈的磁性衬背材料延长得不超过相应线圈的横向尺寸的10％。例如，第一线圈230的磁性衬背材料320可以介于第一线圈的横向尺寸(在X方向或Y方向)的大约90％至大约110％之间。在一些实现方式中，磁性衬背材料可以是环形形状。
图4D示出了具有第一线圈230和两个第二线圈232a、232b(也可称为第二线圈232a、第三线圈232b)的双模无线电力发送器100的平面图。第三线圈232b的开口区域(第三区域)约等于第二线圈的开口区域(第二区域)，也位于第一线圈230的开口区域内。在这个配置中，两个MI线圈可以运行在相同的频率并且部分重叠。它们可以彼此横向偏移以增加MI线圈的电力传送区302。第二驱动信号经由连接至第一线圈和第二线圈的至少一共同导线或者经由连接至第二线圈和第三线圈的至少一共同导线施加至该第二传输线圈和该第三传输线圈
图5A和图5B示出了磁性衬背材料配置的附加示例。根据一些实施方式，磁性衬背材料可以是连续薄膜或者可以是如图所示的分片状。在某些情况下，每个分片(tile)可以是细长状，在一个方向上重复。每个分片可以具有小的横向尺寸a和大的横向尺寸b。根据一些实施方式，这些分片可以间隔开间隙g。分片之间的间隙g可以相同或不同。如图5B所示，分片也可以形成为二维阵列。在一些实施方式中，磁性衬背材料和分片可以包括预先裂开的(pre-cracked)铁氧体片。
发明人已经认识和理解到，在磁谐振MR线圈230的电力传送区301内包含磁电感MI线圈232以及可能包含的其磁屏蔽330，会降低MR线圈的谐振操作。为了补偿这种降低，可以包括MR线圈230的磁性衬背材料。可以选择磁衬背材料的参数，以恢复MR线圈的谐振行为并提高MR线圈的耦合效率。
参照图3，发明人已经研究了不同的线圈配置对无线电力传送性能的影响。在这些研究中，改变磁性衬背材料以及两个线圈之间的距离Z1和MI线圈232与接收线圈130之间的距离Z2。进行测试以评估随着参数Z1、Z2和磁衬背材料320的变化，MR线圈230和MR接收线圈130之间的无线电力传送效率。
在第一组测试中，评估了对于不同的距离Z1和Z2，在具有和不具有磁衬背材料320的情况下MR线圈的无线电力传送。此外，通过改变图3所示的距离D，研究了接收线圈不对准的影响。为了评估无线电力传送效率，计算“共同电压转换比率”(mutual voltage transformation ratio,MVTR)的值。共同电压转换比率由DC电压VDC(从连接至MR接收线圈130并且跨接到固定电阻负载的整流器测量得到)与施加到MR传输线圈230的均方根AC电压Vrms之间的比率得到。在不受特定理论约束的情况下，测试中使用的共同电压转换比率被定义为：
M V T R = V D C V r m s
其中，来自接收线圈的整流DC电压被赋值为100欧姆负载。其他的表达式和负载阻抗也可以用来计算类似MVTR的表示无线电力发送器和无线电力接收器之间能量耦合效率的值。在一些实施方式，MVTR可以被赋值为负载电阻值在大约5欧姆至100000欧姆之间。然而，当针对不同的系统比较MVTR值时，应当对每个系统针对相同阻抗计算MVTR值。
在第一组试验中，针对第一种情况和第二种情况计算了MVTR，第一种情况中，第一传输线圈230没有磁性衬背材料，第二种情况中，第一传输线圈230具有铁氧体衬背。在第二种情况下，磁性衬背不会延伸超过第一传输线圈230的小直径的10％。这些测试的结果显示，当磁屏蔽320被放置的邻近第一传输线圈230时MVTR显著增加。MVTR的增加量介于6％和20％之间，取决于选择的距离(Z2和Z1)。
此外，发明人发现，存在MI线圈及其屏蔽对MR线圈的MVTR具有微不足道的影响。存在MR线圈及其屏蔽对MI线圈的MVTR具有微不足道的影响。当任一线圈从系统中移除时，MVTR上的差异不到1％。这种较小的差异是由于MR和MI系统操作在明显不同的频率(例如，超过20倍的差别)。这种较大的频率差异使得两个线圈较低的交叉感应。在一些实施方式中，当放置在指定充电区中央的接收设备(也可称为第一设备、第一无线接收设备)通过第一频率从第一传输线圈接收电力时其MVTR(即，第一MVTR)可以为放置在指定充电区中央的接收设备(也可称为第二设备、第二无线接收设备)通过第二频率从第二传输线圈接收电力时的MVTR(即，第二MVTR)的50％至200％。
还在Z1和Z2的不同值的情况下，测量了偏差量D变化的影响。为了研究偏差，接收线圈先与电力传输线圈230的中心轴对齐，接着沿着大直径的方向向中心轴的任一侧偏移电力传输线圈230的大约一半小直径，通过这种方式测量接收线圈的MVTR。
图6A描述了由于偏差导致的MVTR变化。在这个测试中，MR线圈230包括铁氧体衬背320，MI线圈232位于距离MR线圈230大约12毫米的距离Z1。接收线圈130位于距离MI线圈232大约18毫米的距离Z2。在这些计算中，MR线圈230的尺寸是5.5英寸(大直径)乘以3英寸(小直径)，接收线圈的尺寸是2.5英寸乘以2英寸，MI线圈232的尺寸是2英寸乘以2英寸。对于这种情况，MVTR从一种偏差配置(D＝w/2，w为小直径)下的大约0.30变化到对准配置下(D＝0)的大约0.34，表明电力传送效率或充电率上约25％的差异。
其他线圈配置可以有不同的MVTR变化。图6B例示了双传输线圈和接收线圈之间的耦合系数的变化。例如，传输线圈的双线圈配置(例如，图4D描述的传输线圈232a、232b)具有的MVTR值与图6B所示曲线成正比的变化。图6B中，两个偏移的传输线圈(如图4D的布置所示)和接收线圈之间的耦合系数作为接收线圈与双线圈中心的偏移的函数进行测量。在一些实施方式，对于线圈布置，MVTR与测量的耦合系数成正比。根据实施方式，当接收线圈远离与传输线圈的地理中心对齐的中心位置时，MVTR的值增加，如图6B所示。在图示中，在约±7.5毫米的偏差处耦合系数最高。
在一些实施方式，对于偏移量为传输线圈(相应的MR或MI线圈)的小直径的一半的接收设备(MR或MI类型)，MVTR的差异为当接收设备与传输线圈对准时MVTR的大约±25％和大约±50％之间。例如，如果当接收设备与传输线圈对准时MVTR值为100，并且当没对准时MVTR的差异是-25％，那么没对准时MVTR的值将减小为75。另选地，如果没对准时MVTR的差异是15％，那么没对准时MVTR的值将增加为115。在一些实现方式中，对于偏移量为传输线圈的小直径的一半的接收设备，MVTR的差异为当接收设备与传输线圈对准时MVTR的大约±10％和大约±25％之间。
也就是说，在一些实施方式中，例如对于MR类型的接收设备(也称为第一设备、第一无线接收设备)，当其在指定充电区内偏移量为MR线圈的小直径的一半时MVTR(即，第三MVTR)为当该接收设备放置在指定充电区中央时MVTR(即，第一MVTR)的大约75％至125％之间，或者50％至150％之间。在一些实施方式中，例如对于MI类型的接收设备(也称为第二设备)，当其在指定充电区内偏移量为MI线圈的小直径的一半时MVTR(即，第四MVTR)为当该接收设备放置在指定充电区中央时MVTR(即，第二MVTR)的大约75％至125％之间，或者50％至150％之间。由于接收线圈的偏移导致的MVTR的变化，如图6A中所示，用来计算耦合变化值Vc。值Vc被定义为三个MVTR(例如，图6A中所示的)的最大值和最小值之间的差异除以三个MVTR的平均值。当线圈对准时获得最大值，当接收线圈沿着传输线圈230的大直径方向向中心轴的任一侧偏移传输线圈230的大约一半小直径时获得最小值。
针对多个不同的线圈配置(Z1、Z2)确定Vc的值并绘制在图7中。对于这些测量，使用单个MR传输线圈230，并且包含铁氧体衬背。也使用单个MI线圈232，参照上述图6A给出了线圈尺寸。距离Z1在0毫米到12毫米之间变化，距离Z2在6毫米到18毫米之间变化。图7绘制的是对于不同的线圈配置在接收线圈有偏移时耦合变化值Vc的三维图。在图中添加了虚白线以协助观察图示的轮廓。
图示可分为表示为A、B、C、D的四个区域。区域A表示最低的耦合变化，其中Z1在大约0毫米到大约3毫米之间变化，Z2在大约6毫米到大约12毫米之间变化。尽管这种线圈配置可以在接收线圈未对准时产生低耦合变化，但在一些实现方式中它并不是优选配置。例如，通过将MI线圈232放置在与MR线圈230处于或接近相同的位置，MI线圈232将不会向位于指定充电区102的设备传送与MR线圈230同样多的电力，导致针对MI线圈232较低的MVTR以及不同的用户体验。为了补偿较低的MVTR，MI线圈232需要位于更靠近接收设备和接收线圈130，和/或MI线圈232传输功率需要增加。因此，当MI线圈232位于更靠近接近指定充电区102时，产生对于MI和MR充电更一致的用户体验。
再次参照图7，可以看出，对于区域C，由于接收线圈未对准，耦合变化有显著增加。通过将线圈配置限制到图7所示的区域B，可以避免区域C。例如，在一些情况下，MI线圈232可以与MR线圈230间隔大约2毫米至约4毫米(距离Z1)，到指定充电区102的距离Z2可以是大约12毫米。在另一个配置中，MI线圈232可以与MR线圈230间隔大约9毫米至大约12毫米，指定充电区102与MI线圈232的间距可以高达大约12毫米。在一些实现方式中，MI线圈及其磁性衬背距离MR线圈的垂直距离等于或大于零但小于第一磁性衬背320的小直径的大约25％。在一些实现方式中，MI线圈及其磁性衬背距离MR线圈的垂直距离等于或大于零但小于第一传输线圈230的小直径的大约25％。
通过配置第一和第二电力传输线圈为第一线圈230具有磁性衬背并且两个线圈间隔开，以提供如上所述的区域B内的耦合变化，用户对于双模发送器100可以体验到无线接收设备的相似充电体验(例如，类似的MVTR)，不论无线接收设备与指定充电区中心对准还是与指定充电区的偏差高达第一线圈230的小直径的大约一半。在一些实现方式，可以添加与第二线圈232具有相同或相似设计的第三线圈或更多线圈(如图4D所示)，以减少由于无线接收设备在指定充电区内的偏差导致的线圈的耦合变化。通过在不同位置测量MVTR和比较测量结果，可以确定出相似的充电行为或功率耦合效率。在一些情况下，在对准和不对准的配置之间，测量的MVTR值的差异在测量的最高MVTR值的大约±25％至大约±50％之间。在一些实施方式，在对准和不对准的配置之间，测量的MVTR值的差异在测量的最高MVTR值的大约±10％至大约±25％之间。
此外，对于第二线圈232或多个第二线圈，会产生相似的充电行为。在一些实施方式中，可以将电源调整为适用于第二线圈或多个第二线圈以便为放置在指定充电区102中央从第二线圈接收电力的接收设备提供相似或相同的MVTR。因此，当无线电力接收设备(MR或MI类型)被放置在指定充电区102中央时，用户将会体验到相似的充电行为(例如，相似的MVTR)。对于一些线圈配置，当无线电力接收设备(MR或MI类型)被放置在指定充电区102的圆形区域内(该圆形区域的半径不超过电力传输线圈的小直径的一半)时，用户可以体验到相似的充电行为。
本申请所述装置和技术的各个方面可以单独使用、组合使用或者以上述实施方式中未特别讨论的各种方式使用，因此在本申请中并不仅限于前面所描述的或者附图所例示的组件的细节和结构。例如，在一个实施方式描述的方面可以与其他实施方式中描述的方面以任何方式组合。
权利要求中使用的序词比如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着任何优先级、优先或一个元件相对于另一个元件的顺序或者执行方法中步骤的时间顺序，而是仅仅作为标记用来区分具有某名称的一个元件与具有相同名称(使用序词)的另一元件从而区分这些元件。
并且，这里使用的措辞和术语只是用于描述并不应当视为限制。“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”等旨在包括所列举的项目及其等同物以及附加项目。例如，装置、结构、设备、层或区域被描述为“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”特殊的材料，旨在至少包括所列列举的材料还包括可能存在的其他元件或材料。

Claims (27)

1.一种多模无线电力发送器，包括：
第一传输线圈，跨越第一区域并且被配置为操作在第一频率；
第二传输线圈，跨越第二区域，其中该第二区域位于该第一区域内并且小于该第一区域，其中该第二传输线圈被配置为操作在第二频率，该第一频率是该第二频率的至少20倍；以及
平台，该平台具有指定充电区，通过该平台放置无线接收设备，其中该平台定位为垂直于该第一传输线圈和该第二传输线圈。
2.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一传输线圈和该第二传输线圈被配置为使得，在该第一频率接收电力并且被放置在该指定充电区中央的第一设备的第一共同电压转换比率为在该第二频率接收电力并且被放置在该指定充电区中央的第二设备的第二共同电压转换比率的50％至200％。
3.根据权利要求2所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一传输线圈和该第二传输线圈被配置为使得，在该指定充电区内偏移高达该第一传输线圈的小直径的一半的该第一设备的第三共同电压转换比率为该第一共同电压转换比率的50％至150％或者75％至125％。
4.根据权利要求2所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一传输线圈和该第二传输线圈被配置为使得，在该指定充电区内偏移该第一传输线圈的一半小直径的该第二设备的第四共同电压转换比率为该第二共同电压转换比率的50％至150％或者75％至125％。
5.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一传输线圈的绕组与该第二传输线圈的绕组不交叠。
6.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一频率为6.78MHz，该第二频率从80kHz至300kHz。
7.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，进一步包括被设置为驱动该第一传输线圈和该第二传输线圈的至少一个电源转换器，该第一传输线圈、该第二传输线圈和该至少一个电源转换器具有共同的电连接。
8.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，进一步包括位于该第一传输线圈的与该平台相反的第一侧上的第一磁性衬背。
9.根据权利要求8所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一磁性衬背覆盖该第一区域的至少一部分但不会延伸超过该第一区域的横向尺寸的10％。
10.根据权利要求8所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一磁性衬背的相对磁导率的范围从60至200。
11.根据权利要求8所述的多模无线电力发送器，其特征在于，进一步包括位于该第二传输线圈的与该平台相反的第一侧上的第二磁性衬背。
12.根据权利要求11所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第二磁性衬背覆盖该第二区域的至少一部分但不会延伸超过该第二区域的横向尺寸的10％。
13.根据权利要求11所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第一磁性衬背的相对磁导率的范围从60至200，并且该第二磁性衬背的相对磁导率的范围从400至500000。
14.根据权利要求11所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第二传输线圈和该第二磁性衬背被定位为朝向该平台方向距离该第一磁性衬背的垂直距离大于零但小于该第一磁性衬背的小直径的25％，或者该垂直距离大于零但小于该第一传输线圈的小直径的25％。
15.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第二传输线圈位于距离该第一传输线圈2毫米至4毫米之间或者9毫米至12毫米之间，该平台位于距离该第一传输线圈小于12毫米处。
16.根据权利要求1所述的多模无线电力发送器，其特征在于，进一步包括跨越第三区域的第三传输线圈，该第三区域等于该第二区域，其中该第三传输线圈被配置为操作在该第二频率并且位于该第一区域内。
17.根据权利要求16所述的多模无线电力发送器，其特征在于，该第三传输线圈与该第二传输线圈的一部分重叠。
18.一种操作多模无线电力发送器的方法，该方法包括：
施加第一频率的第一驱动信号至第一传输线圈，该第一传输线圈跨越第一区域并且与具有指定充电区的平台垂直间隔开；以及
施加第二频率的第二驱动信号至第二传输线圈，该第二传输线圈跨越第二区域，其中该第二区域位于该第一区域内并且小于该第一区域，该第一频率是该第二频率的至少20倍。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将该第一传输线圈的电力传送至位于该指定充电区中央的第一无线接收设备，该第一无线接收设备具有第一共同电压转换比率；以及
将该第二传输线圈的电力传送至位于该指定充电区中央的第二无线接收设备，该第二无线接收设备具有第二共同电压转换比率，其中该第一共同电压转换比率是该第二共同电压转换比率50％至200％。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，进一步包括：将该第一传输线圈的电力传送至该第一无线接收设备，该第一无线接收设备在该指定充电区内偏移达该第一传输线圈的小直径的一半，从而该第一无线接收设备具有在该第一共同电压转换比率的50％至150％之间的第三共同电压转换比率。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，进一步包括：将该第二传输线圈的电力传送至该第二无线接收设备，该第二无线接收设备在该指定充电区内偏移达该第一传输线圈的小直径的一半，从而该第二无线接收设备具有在该第二共同电压转换比率的50％至150％之间的第四共同电压转换比率。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，该第一频率为6.78MHz，该第二频率的范围从80kHz至300kHz。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括通过第一磁性衬背凝聚该第一传输线圈的磁场，该第一磁性衬背位于该第一传输线圈的与该平台相反的第一侧上，其中该第一磁性衬背的相对磁导率的范围从60至200。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，进一步包括通过第二磁性衬背凝聚该第二传输线圈的磁场，该第二磁性衬背位于该第二传输线圈的与该平台相反的第一侧上，其中该第二磁性衬背的相对磁导率的范围从400至500000。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，该第二传输线圈和该第二磁性衬背被定位为朝向该平台方向距离该第一磁性衬背的垂直距离大于零但小于该第一磁性衬背的小直径的25％，或者该垂直距离大于零但小于该第一传输线圈的小直径的25％。
26.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，进一步包括施加该第二频率的该第二驱动信号至第三传输线圈，该第三传输线圈跨越位于该第一区域内并且小于该第一区域的第三区域。
27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，该第二驱动信号经由连接至该第一传输线圈和该第二传输线圈的至少一共同导线或者经由连接至该第二传输线圈和该第三传输线圈的至少一共同导线施加至该第二传输线圈和该第三传输线圈。
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